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DisciplinaMetalurgia Mecânica151 materiais1.916 seguidores
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na 
fabricação de dutos em função de sua composição química e resistência mecânica, 
seguindo a norma API-5L. De acordo com a norma, os algarismos identificam o aço em 
função do limite de escoamento mínimo aceito, em ksi (lb/in2). (HIPPERT Jr., 2003), 
figura 2.1. Na tabela 2.1, é apresentada a composição química de alguns aços API. 
 
 
Figura 2.1: Tensão limite de escoamento mínima para classes de aço API (Disponível 
em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005)). 
 
 
 
 
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Tabela 2.1: Composição química dos aços API fabricados pela USIMINAS 
 
Composição Química (%) Grau 
API 5L 
Espessura 
(mm) C Mn Si P S Nb Ti Mo V Ni Cu Cr 
A 0,90 
B 
0,20
1,15 
X42 1,25 
X46 1,35 
X52 1,25 
 
X56 1,35 
0,065 0,030 
 
X60 
6,00~38,10 
1,35 
X65 
0,16
1,25 
X70 
6,00~25,40 
0,15 1,35 
0,35 0,025 0,025
0,075 0,25 0,070 0,35 0,40 0,25
Disponível em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005) 
 
A composição química do aço determina as características para sua 
aplicação. Nesse sentido, SILVA (2001) descreve a influência dos principais elementos 
de liga nos aços, são eles: 
ƒ Carbono (C) \u2013 O aumento do teor de carbono é a maneira mais econômica 
de obter resistência mecânica, principalmente no limite de escoamento, no 
entanto, é prejudicial à tenacidade do material. Teores elevados 
comprometem a soldabilidade do aço. Assim, limita-se o teor de carbono 
em 0,3%; 
ƒ Manganês (Mn) \u2013 o aumento do teor de manganês aumenta seguramente a 
resistência mecânica e resistência à fadiga. Prejudica a soldabilidade, 
contudo é menos prejudicial que o carbono; 
ƒ Silício (Si) \u2013 Favorece a resistência mecânica (limite de escoamento) e a 
resistência à corrosão, mas como os anteriores, reduz a soldabilidade; 
ƒ Enxofre (S) \u2013 Muito prejudicial aos aços. Diminui a ductilidade, 
tenacidade à fratura e soldabilidade. 
ƒ Fósforo (P) \u2013 Aumenta o limite de resistência, favorece a resistência a 
corrosão, mas diminui a soldabilidade. Diminui a ductilidade e a 
tenacidade à fratura. Torna o aço frágil se ultrapassar certos teores; 
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ƒ Cobre (Cu) \u2013 Aumenta a resistência a fadiga e à corrosão, mas reduz a 
soldabilidade; 
ƒ Níquel (Ni) \u2013 Aumenta a resistência mecânica e a resistência à corrosão; 
ƒ Nióbio (Nb) \u2013 É um dos principais elementos de liga dos aços 
microligados, sendo quase obrigatório nos aços ARBL. Pequenos teores 
desse elemento aumentam concomitantemente o limite de resistência e o 
limite de escoamento. Permite diminuir os teores de carbono e manganês; 
ƒ Titânio (Ti) \u2013 Aumenta o limite de resistência e melhora o desempenho 
mecânico em temperaturas elevadas. 
 
 
2.1.1 \u2013 Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) 
 
A tecnologia de exploração de óleo e gás tem exigido a busca de materiais 
para tubulações que apresentem propriedades mecânicas apropriadas. Os aços de alta 
resistência e baixa liga têm demonstrado propriedades mecânicas superiores, 
combinando características como elevada resistência mecânica e tenacidade, atribuídas, 
segundo ZHAO et al. (2002), a fatores como composição química, controle do processo 
termo-mecânico de fabricação e microestrutura final adequados. 
A laminação controlada, seguida por resfriamento controlado, é um dos 
processos mais utilizados na obtenção de aços de alta resistência e baixa liga com uma 
combinação desejável de resistência, soldabilidade e tenacidade e está associado com 
diferentes mecanismos de reforço, dentre eles o refino do grão (BAKKALOGLU, 
2002). O refino do tamanho do grão, segundo COSTA NETO (1989), é a questão 
fundamental para otimização de propriedades nos aços de tubulação, sendo confirmado 
por ZHAO et al. (2003) que atribuem ao refino do tamanho de grão o foco principal da 
pesquisa em aços. 
O refino do grão ferrítico é um dos procedimentos mais utilizados para o 
reforço do aço, pois torna possível, concomitantemente, o aumento da tenacidade e da 
resistência mecânica (HODGSON et al., 1999). MATSUMURA e YADA (1987) 
atribuem o refino do grão ferrítico à transformação da austenita (\u3b3) em ferrita (\u3b1) e à 
recristalização dinâmica da ferrita, enquanto BAKKALOGLU (2002) menciona que a 
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otimização do refino do grão ferrítico é alcançada pela maximização da área do 
contorno de grão da austenita por unidade de volume. 
O processo de laminação controlada utilizado no refino do grão ferrítico 
segue as seguintes etapas: 
1 \u2013 Deformação na região de recristalização (acima de 950°C) \u2013 Nessa 
região, ciclos de deformação e recristalização são responsáveis pela 
diminuição dos grãos austeníticos; 
2 \u2013 Deformação na região de não-recristalização (entre 950°C e 900°C) \u2013 
Nessa região, há formação das bandas de deslizamento, que servirão de 
locais para a nucleação da ferrita; além dos contornos de grãos 
austeníticos; 
3 \u2013 Deformação na região (\u3b1+\u3b3) \u2013 Nessa região, além da formação das 
bandas de deformação, há a ocorrência da deformação da ferrita com o 
desenvolvimento de subestruturas. Durante o resfriamento, a ferrita 
deformada muda para subgrão e a austenita não-recristalizada 
transforma-se em grãos ferríticos. Quanto menor o tamanho do subgrão, 
maior o efeito do reforço. 
A adição de pequenos teores de nióbio, vanádio e titânio ao aço para 
laminação controlada é outra forma de se efetuar o refino do grão. Esses elementos 
formam microconstituintes que, segundo COSTA NETO (1989), atuam como fixadores 
do contorno de grão austenítico, impedindo seu crescimento durante o processo de 
laminação à quente como conseqüência da formação de carbonitretos e, posteriormente, 
aumentando a resistência mecânica do aço devido ao endurecimento por precipitação. O 
autor menciona que o Nb (C, N) é o fixador de contorno de grão mais efetivo, seguido 
pelo Ti (C, N) e V (C, N), respectivamente. ZHAO et al. (2003) observaram o 
endurecimento por precipitação de um aço para dutos, onde a presença de carbonitretos 
de nióbio e vanádio, dispersos na matriz ferrítica, promoveu um aumento da densidade 
de discordâncias, devido ao bloqueio de seu movimento, resultando no aumento da 
resistência mecânica do aço. 
A obtenção das propriedades mecânicas nos aços ARBL é dada em função 
da temperatura de laminação e da maneira como as microadições de Nb, V ou Ti 
formam carbetos, nitretos e carbonitretos (COSTA NETO, 1989). Diante do exposto, 
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pode ser verificado que a microestrutura do aço desempenha um papel fundamental nas 
suas propriedades mecânicas, relevantes ao comportamento do duto. 
 
2.2 \u2013 ASPECTOS GERAIS DA FADIGA 
 
Os materiais solicitados por carregamento estático, após o limite de 
escoamento, iniciam o processo de deformação plástica e, com a continuidade do 
carregamento, podem sofrer colapso mecânico. No entanto, a maior parte dos materiais 
em engenharia é submetida a carregamentos cíclicos. Esses materiais podem fraturar, 
nessas condições, a uma tensão inferior ao limite de escoamento e ao limite de 
resistência. A esse tipo de falha dá-se o nome de fadiga. 
A norma ASTM E 1150-87 (1993) define fadiga como \u201co processo de 
mudança estrutural permanente, progressiva e localizada, produzido por tensões ou 
deformações flutuantes em algum ponto ou pontos do material, e que pode culminar em 
trincas ou fratura completa após um número suficiente de ciclos de carregamento\u201d. 
O processo de fadiga consiste em três etapas (estágios): nucleação 
(iniciação) da trinca, propagação da trinca e colapso da estrutura. A iniciação das trincas 
de fadiga está ligada ao acúmulo de deformação plástica, em geral na superfície do 
material, mediante deslizamento dos planos cristalográficos. As trincas podem ocorrer 
em defeitos ou inclusões no material, ou seja, em pontos de concentração de tensões, em 
locais não homogêneos e pontos de variação abrupta da geometria da estrutura. Na 
segunda etapa, as trincas geralmente se propagam perpendicularmente à direção das 
tensões principais